ResearchontheMagnetizingMethodwithSharpPulsesandMicro-PowerConsumptionBasedonMagneticRemanence-基于剩磁原理的微功耗脉冲励磁方法研究.docx

基于剩磁原理的微功耗脉冲励磁方法研究Research on the Magnetizing Method with Sharp Pulses and Micro-Power Consumption Based on Magnetic Remanence摘要：针对目前恒流源励磁方法功耗过大而无法满足电磁水表微功耗要求的问题，提出基于剩磁原理的微功耗脉冲励磁方法。通过对电磁流量传感器磁场的工作方式分析，选择具有高剩磁、低矫顽力的矩磁材料制作磁路，采用双向窄脉冲电压为励磁线圈供电，使磁场发生反转并稳定。根据这一原理，设计了脉冲励磁磁路和双向脉冲发生电路，并进行了试验测试。测试结果表明，相对恒流励磁方法，基于剩磁原理的脉冲励磁方法可以将励磁功耗大大降低，并且得到稳定的工作磁场，有利于提高电磁水表的使用寿命和流量信号的稳定性。关键词：电磁水表； 微功耗；脉冲励磁；剩磁；矩磁材料；矫顽力中图分类号：TH814 文献标志码：AAbstract: To solve the power consumption problem in electromagnetic water meters, a new micro-power consumption magnetizing method was proposed based on magnetic romance by using sharp pulses, comparing to the traditional constant-current magnetizing method. The operating magnetic field of the electromagnetic flow sensor was explored, and the rectangular hysteresis material was selected to fabricate magnetic circuits because of its characters of high remanence and low coercive force. Therefore, the magnetic direction can be switched and stable by bidirectional sharp voltage pulses. According to this method, the magnetic circuit and electric circuit were established to be tested. It was demonstrated by the test results that power consumption of this method was reduced enormously comparing to the constant-current method. Moreover, the magnetic field was more stable so that the lifetime of the electromagnetic water meter and its signals stability can be enhanced.Key Words：Electromagnetic water meter; Micro-power consumption; Voltage pulse magnetizing; Remanence；Rectangular hysteresis material；Coercive force0 引言电磁水表作为一种功能强大的智能水表，相对于传统机械式水表具有测量精度高、响应速度快、压力损失小等优势，且由于其内部没有运动部件，基表的使用寿命长，因此具有很好的应用前景1,2。目前，具有相同工作原理的电磁流量计已普遍应用在工业控制领域，但是电磁水表并未得到普及，甚至市场上产品都很少见。这主要是由于工作环境问题，电磁水表无法象电磁流量计那样方便地从市电网络获取工作能源。采用电池供电是电磁水表最可行的能量获取方式，这同时也限制了其使用寿命。为了避免测量电极上由于电荷积累产生过大的极化电势，电磁流量传感器需采用具有一定频率的交变磁场，使累积电荷在反向磁场的作用下充分释放3。因此，在工作中，需对磁路进行双向励磁，改变磁场方向。磁路需采用软磁材料，为了维持工作磁场，在工作期间，需保持恒定的励磁电流，这使得电磁流量传感器的能量主要消耗在励磁电路中，提供工作磁场，因此很难将功耗降低，严重制约了电池的使用寿命。励磁功耗大是制约电磁水表发展的重要原因，为此必须改变传统持续电流励磁模式，降低功耗，才能解决这一问题。本文从磁性材料磁滞特性分析出发，利用矩磁材料的本构特征，研究基于剩磁原理的微功耗脉冲励磁方法，从根本上改变持续电流励磁模式，大大降低电磁流量传感器的功耗，延长电池使用寿命，解决制约电磁水表发展的瓶颈技术难题。1. 基于剩磁原理的脉冲励磁方法机理 为增强工作磁场的磁感应强度，电磁流量传感器通常采用软磁材料制作磁路元件，励磁线圈从恒流源获得持续的励磁电流，使磁路间隙中产生与电流成正比的磁通。这在一般的电磁流量计的设计中具有明显的优势，即可以节省设计成本，又便于简化工艺流程，提高生产效率，而且可以通过计算磁路的铜损和铁损补偿由于简化带来的设计误差，获得较好的效果4。对于采用电池供电的电磁水表而言，节省功耗是首先要考虑的问题。为了降低水表工作的整体功耗，大多研究者采用分段恒流励磁的方法，这可以在一定程度上起到节能的效果5-8。但是不能从根本上解决励磁功耗大的问题，达不到微功耗的效果。由于励磁功耗主要由持续的励磁电流引起，因此，尽量缩短励磁时间是降低功耗必须解决的问题。考虑到电磁流量传感器工作磁场为交变矩形波形，本文根据这一特点，选择矩磁材料制作磁路元件。矩磁材料属于特殊的软磁材料，既有软磁材料矫顽力小的特点，又具有很高的剩磁，其矩形比Br/Bs一般大于0.8，其磁滞回线如图1所示。从图中可以看，矩磁材料磁滞回线外形与硬磁材料近似，但是由于矫顽力HC很小，因此只需要很小的磁动势，便可实现磁场方向的反转，且由于矩形比高，剩磁密度Br与饱和磁通密度Bs相差很小，励磁信号消失后，磁路中可保持与饱和磁通很接近且稳定的剩磁通。图1 矩磁材料磁滞回线Fig.1 The B-H loop of rectangular hysteresis material此外，从图1所示的磁滞回线中可看出，当励磁磁场从零增加到矫顽力HC时，磁感应强度从-Br变到+Br，或反向变化。由于磁感应强度B在0HC范围内缓变，磁场强度HHC时几乎不变，在HC附近是骤变，H稍大于HC，便发生方向反转，从-Br变到+Br。当磁场强度从HC减小到0时，磁感应强度会保持方向翻转后的大小，直到下一次反向的HC出现。由此可见，在连续的磁场强度变化过程中，磁感应强度B的变化属于开关式，在两个状态（-Br，+Br）之间切换。结合电磁流量传感器的要求，可以看出，矩磁材料的磁特性可以大大提高工作磁场的性能。首先，可以避免采用恒流源持续供电的励磁方式，大大降低励磁功耗；其次，可以提高工作磁场的稳定性，减小由于励磁电流波动引起的磁感应强度变化。2. 脉冲电压励磁过程分析通过上述分析可知，采用矩磁材料制作电磁流量传感器磁路主要利用其剩磁高、矫顽力小的特点。根据这一特点，在励磁电路设计中不仅可以将持续电流励磁模式改为脉冲励磁模式，还可以采用直接电压源供电，避免恒流源转换的环节，进一步降低功耗。图2为脉冲励磁磁路与电路模型。励磁线圈两端输入励磁电压u，在线圈中将产生相应的励磁电流i对磁场进行激励，磁动势为励磁电流与线圈匝数的乘积Ni。与恒流源励磁方式不同，脉冲励磁电路要考虑与磁场变化向对应的电流建立过程，因此要对图2(a)所示的等效电路瞬态变化进行分析，以便掌握励磁脉冲与磁场对应关系。（a）脉冲励磁磁路 （b）电路模型图2 脉冲励磁磁路与电路模型Fig.2 The impulse exciting magnetic circuit and electric model忽略线圈自身寄生电容的影响，电感L主要由线圈中电流i与磁路磁通链=N的变化关系决定。这一关系只在电流和磁场的建立过程中存在，在具有稳定电流的线圈中，i和都是恒定的，线圈表现为纯电阻特性，电感L不存在。因此，在恒流源励磁系统中只考虑稳态特性，不考虑瞬态特性，而在脉冲励磁系统，则只考虑瞬态过程。如图2（a）所示，线圈两端增加电压u，电流i从0开始变大，磁路中磁通也同时变化，在图2（b）所示的等效电路中，电感L两端产生感应电动势，根据电磁感应定律9-11，有： （1）假设线圈截面积为A，匝数为N，则上式可改写为： （2）由上式可导出电感L的计算公式为： （3）上式可对应与图1中的磁滞回线，在HHC时，B随H的变化非常小，线圈近似于空心螺线管，相应的电感L值也非常小，对电流的抑制作用也很小；H接近HC，B发生突变，L值非常大，对电流的抑制也很大。因此对图2（b）所示的等效电路可分三个阶段：电流上升阶段、磁场反转阶段和电流消失阶段。在电流上升阶段，线圈两端施加电压u，线圈电感小，电流快速上升，但磁感应强度变化小；在磁场反转阶段，由于电感很大，电流上升缓慢，但很小的电流变化便可使磁场发生方向反转；在电流消失阶段，励磁电压u完成磁场的反转后结束，由于电感的作用，电线圈中电流不会马上消失，而是从最大值衰减至0，同时磁路中的磁通也从最大值向稳定的剩磁过渡。结合式（3）和图1可以看出，电流上升阶段和电流消失阶段电感值很低，线圈中电流会快速上升或衰减；磁场反转阶段电感值很大，线圈中电流变化很小，但磁场变化很大。在电流上升阶段开始时，磁路中磁场稳定，线圈中没有电流，在这一初始状态下给线圈两端施加电压u，因此，图2（b）所示的电路瞬态过程为零状态响应。根据电路原理，零状态相应中，线圈中电流为： （4）式中：为电路稳态电流；电路的时间常数影响电流上升的速度，R为线圈内阻，不随电流大小改变（忽略温度效应和集肤效应）。越大电流上升越慢。从上述分析可知，在电流上升阶段，电感L值小，时间常数也小，电流快速上升；当磁场强度H增加接近HC时，时间常数随着电感L的变小而增大，电流上升缓慢，直至磁场反转结束，电压u消失。在磁场反转阶段开始时，线圈两端无电压输入，但存在电流消失阶段结束时的电流I0，电路处于零输入状态，线圈中的电流为： （5） 由于这一阶段电感L很小，时间常数较大，电流i快速衰减至0，磁路中磁感应强度也从Bs过渡到Br。磁场反转阶段结束后，电路处于断路状态，磁路处于稳定状态，为测量管路提供工作磁场Br。在下一个反向脉冲来时，电路和磁路重复上述过程，只是方向发生改变。图3为电压、电流、磁感应强度三者的时间序列对应关系。从图中可以看出，采用矩磁材料制作的磁路可以通过脉冲励磁电压对磁路进行激励，在很短的时间内完成磁场的反转，并获得稳定的磁感应强度。电磁流量传感器的磁路变换频率很低，一般为工频的1/4、1/8，甚至更低，因此采用脉冲励磁可以再很小的占空比下工作，励磁功耗可大大降低。(a) 励磁脉冲波形(b) 励磁电流波形(c) 磁感应强度波形图3 电路和磁路参数波形图Fig.3 Waveforms of electric and magnetic parameters3、 试验测试与分析采用如图4所示的H桥电路可以提供励磁系统所需的电压脉冲序列。在每半个周期分别向S3、S4两个MOSFET的栅极输入控制脉冲，实现桥式电路的脉冲电压输出，为线圈提供如图3（a）所示的脉冲序列。图4 H桥脉冲励磁电路原理Fig.4 H-Bridge circuit of impulse-voltage exciting为验证本文所述方法的可行性，采用1J83矩磁合金材料制作磁路，配合图4所示的脉冲电路及相应的线圈，并采用霍尔元件及后续信号放大电路对产生的磁场进行测量。测量结果表明，采用330s脉宽的脉冲电压对磁路进行激励，可以使磁场方向在脉冲发生时正常翻转，并且保持相邻两脉冲之间的具有足够强度的稳定磁场；而励磁功耗只发生在330s时间内，功耗极低。表1为现有三值波励磁方法与本文所述的基于剩磁原理的脉冲励磁方法的参数对比。从对比中可以明显看出脉冲励磁方法在微功耗方面的优势。表1三值波励磁与脉冲励磁参数对比参数三值波励磁脉冲励磁工作电压u/V3.63.6工作电流/mA50300稳定磁感应强度B/Gs1022占空比D3/81/3000平均励磁功率P/mW67.50.3244、 结束语 电磁流量传感器励磁功耗问题是影响其应用的瓶颈问题之一，采用传统的励磁方法难以从根本上解决电池使用寿命问题。本文研究的基于剩磁原理微功耗脉冲励磁方法突破传统软磁材料恒流源励磁方法的思路，采用矩磁材料作为基础，利用其剩磁高、矫顽力小的特点，结合产生双向窄脉冲的H桥转换电路，不仅大大降低了励磁系统的功耗，而且使获得的磁场更加稳定，有利于提高流量信号的准确性。参考文献1 姚灵. 电子水表传感与信号处理技术J. 自动化仪表，2009,30(3):1-5.2 姚灵.电磁流量传感器与电磁电子水表J.上海计量测试，2012,6(232): 2-5.3 梁国伟,蔡武昌. 流量测量技术及仪表M. 北京：机械工业出版社，2005.4 蔡武昌,马中元,瞿国芳,等. 电磁流量计M. 北京：中国石化出版社，2004.5 宫通胜. 新型电池供电电磁流量计设计D. 杭